كاربردها
اهداف آموزشي
اهداف آموزشي در حوزه‌ي شناختي - دانش
- «دانش امور جزوي» > «دانش اصطلاح‌ها»
اهداف آموزشي در حوزه‌ي شناختي - توانايي‌ها و مهارت‌هاي ذهني
- «فهميدن» > «كار بستن»
اهداف آموزشي در حوزه‌ي عاطفي- آگاهي
اهداف آموزشي در حوزه‌ي عاطفي- توجه انتخابي يا كنترل‌شده
نتايج مورد نظر
- كاربرد «متغيرهاي ترموديناميكي» در «كولرهاي صنعتي و خانگي»
- نقش فيزيك در صنعت
- شناخت دستگاه‌هاي ترموديناميكي (مثل: «تهويه‌ي هوا» و «كولر»)
- آشنايي با كاركرد اجزاي دستگاه‌هاي «كولر» و «تهويه‌ي هوا»
محتواي آموزشي (سرفصل‌هاي المپياد جهاني)
- ترموديناميك - كار و انرژي
وقتي دماي بيرون بالا مي‌رود، بسياري از مردم مي‌خواهند محيط كار يا منزل خود را خنك كنند. دنبال يك كولر مي‌گردند. كولرها هم مانند برج‌هاي آبي و خطوط برق يكي از چيزهايي است كه هر روز آن را مي‌بينيم ولي هيچ‌توجهي به آن نداريم. دستگاه‌هاي تهويه‌ي هوا در اندازه‌ها، توانايي سرمايش و قيمت‌‌هاي مختلفي توليد مي‌شوند.
| ساختار دستگاه تهويه‌ي هوا |
دستگاه تهويه اساسا يخچالي است بدون مخزني براي نگهداري.
تبخير يخچالي مانند
فرئون (Freon) باعث ايجاد سرما مي‌شود. ماشين‌هاي چرخه‌ي تبخير فرئون مانند يخچال هستند.
|
شكل 1 - (A) دريچه‌ي انبساط
(B) متراكم‌كننده. |
کارکرد تهویه‌ي هوا بدین صورت است:
1 - متراکم کننده، گاز فرئون سرد را تبخیر می‌کند. به‌همین دلیل
فشار آن بالا رفته و داغ می‌شود (بخش قرمز رنگ در شکل 1).
2 - گاز داغ چنبره‌هایی (لوله‌هاي پيچ‌خورده) را به‌کار می‌اندازد، به‌طوری که گرما را پراکنده کرده و به‌صورت مایع چگالیده می‌شود.
3 - مایع فرئون دریچه‌ی انبساط را به‌کار می‌اندازد. و در این فرایند به فرئون کم فشار و سردی تبخیر می‌شود (رنگ
آبی در شکل 1).
4 - این گاز سرد تعدادی چنبره (لوله‌ي پيچ‌خورده) را به‌کار انداخته و اجازه می‌دهد گاز گرما را جذب كرده و هوای داخل ساختمان سرد شود.
روغن سبکی هم با فرئون مخلوط می‌شود. این روغن متراکم‌کننده را لیز می‌کند. این اساس کار تهویه‌ي هواست.
دستگاه «تهویه‌ي هوای پنجره‌ای» فضای کمی اشغال می‌کند. هر واحد از اين دستگاه، آن‌قدر کوچک ساخته می‌شود تا با قاب پنجره‌ی معمولی هم‌اندازه باشد.
فرض كنيد پنجره به‌اندازه یک واحد از اين دستگاه‌ها باشد. این دستگاه را در قاب پنجره وصل كرده آن را برای سرد کردن هوا روشن می‌نماييد. اگر پوشش رویی دستگاه تهویه‌ي هوایي - که هنوز متصل نشده - را بردارید متوجه می‌شوید شامل چند قسمت است:
- متراکم‌کننده
- دریچه‌ی انبساط
- چنبره‌ي (لوله‌ي پيچ‌خورده‌ي) داغ (در بخش روبه‌ي بیرون)
- چنبره‌ي (لوله‌ي پيچ‌خورده‌ي) خنک‌کننده (در بخش داخلی)
- دو پره
- واحد کنترل
پره‌ها هوا را به چنبره (لوله‌ي پيچ‌خورده) هدایت کرده تا توانایی پراکنده کردن گرما (به‌سمت بیرون) و سرما (به‌سمت داخل) را داشته باشد.
 |
شكل2 - ساختار داخلي دستگاه تهويه‌ي هواي پنجره‌اي
كولرهاي گازي جديد نيز به‌همين ترتيب كار مي‌كنند.
|
«تهويه هواي انشعابي» بخش گرماده را از سرماده جدا مي‌كند (شكل 3).
|
شكل 3 - تهويه‌ي هواي انشعابي كه در محل زندگي و داخل
ساختمان‌ها مشاهده مي‌شود.
|
بخش سرد شامل دريچه‌ي انبساطي و چنبره‌ي (لوله‌ي پيچ‌خورده‌ي) سرد است. اين بخش عموما درون يك گرداننده يا نگهدارنده‌ي هوا قرار دارد. گرداننده، هوا را از چنبره (لوله‌ي پيچ‌خورده) خارج و مسير هوا را در ساختماني - كه از آن، يك سري كانال مي‌گذرد - به‌جريان مي‌اندازد.
بخش گرم به‌نام بخش يا واحد چگالش در بيرون از ساختمان خواهد بود (شكل 4).
|
شكل 4 - واحد چگالش
در نمونه‌هاي خانگي. |
اين بخش شامل چنبره‌اي (لوله‌ي پيچ‌خورده‌اي) بلند و پيچشي شبيه يك استوانه است. داخل چنبره (لوله‌ي پيچ‌خورده) يك فن قرار دارد تا هوا را در اطراف چنبره (لوله‌ي پيچ‌خورده) به‌جريان بياندازد. هم‌چنين يك كمپرسور (متراكم‌كننده‌ي) هوا و چند «كنترل‌كننده‌ي منطقي» (Control Logic) كار گذاشته شده‌اند.
طراحي چنين سيستمي بعد از سال‌ها تجربه بدين‌شكل انجام شده است تا ضمن كم شدن قيمت توليد آن، آلودگي صوتي كم‌تري هم داشته باشد؛ اين در حالي است كه طراحي به‌گونه‌اي انجام شده است كه سر و صداي آن، داخل خانه كم‌تر شنيده شود.
علاوه بر آن، «توان» دستگاه تهويه‌ي هواي طراحي شده به عللي نظير ذيل بالاتر خواهد بود:
| - مستقل بودن بخش‌هاي گرم و سرد |
| - بزرگ‌تر شدن چنبره‌ها (لوله‌هاي پيچ‌خورده) |
| - بزرگ‌تر شدن متراكم‌كننده‌هاي هوا |
هيچ اختلافي بين يك دستگاه
انشعابي با
پنجره‌اي وجود ندارد.
در انبارها، كارخانه‌‌ها، سالن‌ها و فروشگاه‌هاي بزرگ و شبيه اين‌ها بخش چگالنده، معمولا در بالاي سقف بوده و ممكن است بسيار هم سنگين باشند. ممكن است چگالنده‌ها بسيار كوچك‌تر از اين‌ها هم باشند؛ هر بخش به يك گرداننده‌ي كوچك هوا وصل باشد كه هواي داخل ساختمان را سرد مي‌كند. در ساختمان‌هاي بزرگ‌تر و به‌خصوص در ساختمان‌هاي بزرگ چند بلوكه، سيستم انشعابي دچار مشكلاتي خواهد شد:
| هر لوله بين چگالنده و گرداننده‌ي هوا محدوديت فاصله دارد |
| در روغن‌كاري چگالنده مشكلاتي به‌وجود مي‌آيد |
| مقداري از كانال كار مي‌كند و طول كانال‌ها كنترل‌ناپذير مي‌شود |
در اين‌جاست كه بايد از
«خنككنندهي آب» (چيلر) استفاده كرد.
| واحدهاي خنك كننده‌ي آبي و خنككنندهي برج‌ها |
در يك «خنك كننده‌ي آبي» كُل دستگاه تهويه‌ي هوا بر روي سقف يا كنار ساختمان كار گذاشته مي‌شود. آب بين 40 تا 45 فارنهايت (4/4 تا 2/7 سلسيوس) خنك مي‌شود. اين خنككنندهي آبي ار ساختمان لوله‌كشي مي‌شود و با هواي گرداننده به‌اندازه‌ي لازم در تماس است. هيچ محدوديت تجربي براي طول خنك‌كننده‌هاي آبي وجود ندارد.
 |
شكل 5 - (A) دريچه‌ي انبساط (B) متراكم‌كننده
(C) مبدل گرمايي (D) خنككنندهي آبي.
|
در سمت چپ شكل 5، تهويه‌ي هوا را مي‌بينيد كه كاملا استاندارد شده است.
مُبدل گرمايي باعث مي‌شود تا فرئون سرد آب را خنك كرده و هواي خنك را وارد ساختمان كند.
در همه‌‌ي دستگاه‌هايي كه تا الان توضيح داديم، از هوا براي دميدن هواي گرم از بيرون چنبره (لوله‌ي پيچ‌خورده) استفاده شده است. اين در حالي است كه در دستگاه‌هاي بزرگ با استفاده از يك برج خنك‌كننده مي‌توان كاركرد دستگاه را بالا برد. برج خنك‌كننده بخار كم‌دمايي از آب توليد مي‌كند. اين آب از مُبدل گرمايي گذشته و چنبره‌ي (لوله‌ي پيچ‌خورده‌ي) داغ شده را خنك مي‌كند.
برج‌هاي آبي شكل‌ها و اندازه‌هاي متفاوتي دارند:
1 - يك برج خنك‌كننده از بخار آب، هوا را به بيرون مي‌دمد به‌طوري كه آب تبخير مي‌شود.
2 - عموما آب از ورقه‌‌هاي ضخيم «شبكه‌ي باز پلاستيكي» (Open Plastic Mesh) چكه مي‌كند.
3 - در «شبكه‌ي باز پلاستيكي» (Open Plastic Mesh)، هوا به‌طور عمودي نسبت به جريان آب دميده مي‌شود.
4 - تبخير باعث سرد شدن آب در جريان مي‌شود.
5 - به‌دليل آبي كه از تبخير از دست مي‌رود برج خنك‌كننده متناوبا و به‌طور ثابت، آب را از منبع خارجي وارد برج مي‌كند.
ميزان خنك كنندگي آب در
«برج خنك‌كننده» به ميزان
بخار آب (رطوبت نسبي) هوا و
فشار بارومتري بستگي دارد. براي مثال: اگر يك روز دماي هوا 35 درجه‌ي سلسيوس باشد، فشار بارومتري 92/29 اينچ بالاتر از سطح دريا و رطوبت 80 درصد است. در نتيجه دماي آب در برج حدود 6 درجه كاهش مي‌يابد (7/31 درجه‌ي سلسيوس) (يعني حدود 3/3 پايين‌تر).در شهرك‌ها، مجموعه‌هاي ساختماني مانند: فروشگاه‌ها، خوابگاه‌ها، دانشگاه‌ها و غيره از
برج‌هاي آبي استفاده مي‌شود.